基于无人机倾斜摄影的建筑物三维建模尝试

任 诚,高利敏,冯耀楼,张 望

(1. 山西省第三地质工程勘察院,山西 晋中 030620； 2. 山西维度空间信息科技有限公司，山西 太原 030000)

近年来，我国经济不断发展，地理信息技术不断进步，城市的信息化成为必然趋势，摄影测量技术随之快速发展，倾斜摄影测量技术应用而生。倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器，从前视、俯视、后视等多个视角对同一物体进行影像信息采集，结合POS、DOM及矢量等数据进行基于影像的各种三维测量。针对倾斜摄影数据的特点，人们进行了多方面的研究探讨，该技术可广泛应用于测绘、国土安全、城市管理等领域。

1 倾斜摄影测量原理

倾斜影像是通过具有一定倾角的倾斜航摄像机获取的，同一地物可以获取多个视点和多视角的影像，从而得到更为详尽、较大且多重分辨率的侧面信息，拍摄影像的同时记录航高、航速、航向重叠、旁向重叠、坐标等参数，而后将这些影像通过区域网联合平差、多视影像匹配、DSM生成、真正射纠正、三维建模等流程，形成最终产品[1-3]。

2 倾斜摄影影像采集

照片的采集是整个三维模型重建过程中非常重要的一步，三维建模的效果与照片采集有密切的关系，保证影像分辨率高、重叠度大、清晰度高，拍摄光照条件好，是三维建模的必备要求。模型重建对象的每一部位至少应从3个不同的视点进行拍摄且影像航向重叠不小于80%，旁向重叠不小于50%，同一部位的不同拍摄视角之间夹角小于15°，为实现更好的效果，对局部部位进行补拍，如图1—图4所示。

3 Smart3D三维建模软件的特点

Smart3D实景建模大师是一套集合了数字影像、计算机虚拟现实及计算机几何图形算法的全自动高清三维建模软件解决方案，它具有方便友好的人机交互界面、良好的数据兼容性、强大的数据运算能力及较低的硬件配置要求,在三维数据建模领域是比较优秀的软件。

Smart3D能接收各种硬件采集的多种原始影像数据，包括大、中、小型无人机和载人机、街景车、数码相机甚至手机，无需人工干预，直接把所得影像数据还原成真实逼真的三维模型，无论是海量级城市数据，还是考古级精细到毫米的模型，都能轻松还原出最接近真实的模型。

4 多旋翼无人机城市建模案例

利用拓普康猎鹰8号八旋翼无人机对山西某建筑楼进行三维测量建模。

4.1 拓普康猎鹰8号八旋翼无人机航摄系统构成及特点

拓普康猎鹰8号八旋翼无人机为独创专利的“V”字型八旋翼，专为监测和测绘应用量身定制，搭载索尼A7R高分辨率数码相机,可以360°多维度、多视向拍照，适用于执行资料搜集、协调指挥、搜索、测量、通信、检测、侦查、影视航拍等多种空中任务，见表1。

4.2 作业区域确定

利用奥维地图Omap定位到飞行区域，结合Global Mapper标定区域拐点WGS-84坐标，如图5所示。

表1 拓普康猎鹰8号八旋翼无人机主要技术参数[4]

4.3 像控点布设

像控点是摄影测量控制加密和测图的基础，野外像控点目标位置、密度、分布及测量精度直接影响数据后处理精度，因此像控点的布设和选择必须规范、严格、精确。注意事项有：①像控点按平高区域网航线进行布设；②对于布设在同一位置的平面点和高程点，要联测成平高点；③地物有阴影不应作为控制点点位目标；④布设的标志应对空视角好，不能有遮挡；⑤像控点要远离通信塔、大面积水域、电视塔等有电磁干扰区域。

本次飞行区域内分别在地面、楼顶等变化较大位置共布设20个像控点和10个检核点，平面坐标为CGCS2000，高程系统为1985国家高程基准[4-6]。

4.4 航线规划

飞行航线规划的主要目标是依据飞行区域地形和环境条件信息，结合无人机综合性能等约束条件，利用AscTec Navigator软件规划出最优航线，如图6所示，保证无人机高效、快速地完成飞行任务。针对本次飞行任务规划飞行航线为正射影像采集、倾斜影像采集及局部影像采集，飞行高度为70 m，航向重叠度为85%，旁向重叠度为75%，地面采样间隔为9.76 mm，飞行速度为5 m/s，共计805张相片，如图7所示。

4.5 内业作业流程

基于Smart3D软件的三维建模操作流程，主要包括工程建立→影像和POS数据导入→检查影像文件→空间坐标框架选取→控制点成果输入→空三计算→模型生成。[7-8]

4.5.1 空中三角计算

空中三角测量是立体摄影测量中根据少量的野外控制点，进行内业控制点加密，求得加密点的三维坐标的测量方法。在数字摄影测量中，光束平差法最为常用，即是以摄影时地面点、摄影站点(投影中心)和像点三点共线条件所建立的每条空间光线作为整体平差运算中的基本单元的空中三角测量计算。

4.5.2 三维模型构建

根据正射影像、倾斜影像数据，结合空三加密解算出来的影像外方位元素，运用多视角多角度影像匹配技术，生成三维网格、密集点云，最后建立三维纹理，建立逼真的三维模型，完整地表现出地形地物的表面特性，如图8所示。

4.6 成果分析

主要检查三维建模数据的完整性、几何质量、位置精度、表现质量、属性精度和逻辑一致性等。本文采用分解法将三维模型分解到基元点，以局部精度评估整体质量。以全站仪测量随机获取10个检核点坐标值作为真值，与重建模型对应的点进行对比，得出基元点的精度。

建筑物真值角点坐标M1(Xa，Ya，Za)，a∈[1，10]；构建三维模型的角点坐标N1(Xb，Yb，Zb)，b∈[1，10]。

计算得出对应点之间的距离差值为

(1)

则三维模型基元点的精度值为

(2)

具体结果见表2。

表2 距离偏移统计

根据式(1)、式(2)计算得出总体中距离偏移的平均值为9.73 mm，精度较高[9-13]。

5 结 语

基于无人机倾斜摄影，能够快速高效地获取高质量、高分辨率的影像，它以多视影像叠加制图解决了类似房檐下、桥梁底部区域模型缺失或失真问题，可以低成本地获取三维影像图，在数字城市、工程建筑、应急指挥、灾害评估、环保监测等众多方面具有重要应用市场。